作者/ 粟欣1,2 龚金金1 曾捷2
1.重庆邮电大学通讯与信息工程学院 宽带无线接入实验室(重庆 400065)
2.清华大学信息技能研讨院 清华信息科学和技能国家实验室(北京 100084)
*基金项目：国家高技能研讨发展计划(863计划)(编号：2015AA01A706);国家科技严重专项(编号： 2014ZX03004003);北京市科委计划(编号：D161100001016002);港澳台科技合作专项(编号： 2015DFT10160B)
粟欣(1962-)，男，博士，教授，研讨方向：宽带无线接入、自组织网络、软件无线电、协作通讯等;龚金金，女，硕士生，助理研讨员，研讨方向：网络切片、网络功用虚拟化等;曾捷，男，硕士，高级工程师，研讨方向：宽带无线接入、软件无线电、 4G/5G技能与标准化。
摘要：未来网络需求满意多种运用场景在时延、可靠性和速率等方面的不同要求，可是只构建一种网络难以满意一切运用场景的需求。网络切片技能即在一个物理基础设施之上构建多个逻辑网络以满意不同类型运用场景的需求，能够完成专用电信网络所具有的一切功用，且用户感触不到不同。无线接入网切片是端到端网络切片的一部分，而无线资源分配又是无线接入网切片的重要内容。本文提出了一种依据份额公正算法的半静态资源分配计划，在各网络切片之间完成更公正的资源分配。仿真成果对比了三种资源分配计划，半静态资源分配计划取得的公正性优于其他两种资源分配计划。
导言
在未来的5G网络中将呈现多种运用场景，其间三大典型运用场景别离为增强移动宽带(eMBB)、大规模机器类型通讯(mMTC)和要害机器类型通讯(CMTC)，不同的运用场景在移动性、安全性、时延和可靠性等方面要求各不相同[1]。现有网络难以满意一切运用场景的需求，若为不同运用场景构建多个不同的物理网络又不太实际，发生的巨大成本是运营商无法承受的。在上述布景下，下一代移动网络联盟提出了网络切片的概念，即在一个物理基础设施上，运用软件界说网络(SDN)和网络功用虚拟化(NFV)等技能，按需构建不同的网络切片[2]。网络切片之间互相阻隔，任何一个网络切片的拥塞、过载、装备的调整不影响其它的网络切片。依据不同的事务和运用场景的特征创立不同的网络切片，并运用恰当的资源分配办法、操控办理机制和运营战略，完成不同的网络架构，然后确保运用场景的功用要求，进步用户体会和网络资源运用率。
端到端网络切片包含无线接入网切片、核心网切片，以及衔接两者的传输网络切片，然后充分运用网络切片技能的优势。现在3GPP(第三代合作伙伴计划)首要重视核心网切片，包含网络切片间的阻隔、网络功用同享等，而无线接入网是否需求切片还在评论中[3]。可是，5G场景的特定需求也期望无线接入网像核心网相同进行切片，开发新式的事务。无线接入网切片运转在无线云渠道(包含无线硬件和基带资源池)，并运用虚拟化资源构建专用和定制化的逻辑网络，其间将一个基站虚拟成多个虚拟基站是必不可少的环节，并按必定原则为不同的虚拟基站分配无线资源(如时隙、频谱和信号处理等)。关于虚拟基站而言，无线接入网切片为其装备空中接口的各种参数(例如，符号长度、子载波距离、循环前缀长度和混合主动重传恳求(HARQ)的参数)，以完成不同的服务模型[4~5]。
在5G无线网络虚拟化环境中，资源调度被赋予了新的意义。首要，传统的资源调度是以基站为单位的，同一基站的空时频资源在调度器的效果下分配给附着于该基站的某些用户;不同基站的调度器或许彻底没有交互，或许经过某些信令进行粗糙的交互。而在新的体系结构中，因为完成了虚拟化和集中化的处理，网络层面的资源调度成为或许。在无线接入网切片的无线资源办理中，移动运营商需求布置高效、灵敏的调度技能，为不同的网络切片动态地分配资源，重视不同网络切片之间和之内的用户调度公正性是移动运营商需求考虑的问题。文献[6]提出了一种针对LTE(长时刻演进技能)网络无线资源块的高效资源分配计划，完成与服务供给商订阅的服务合同，以及小区中心用户和小区边际用户之间的公正性要求，并答应灵敏界说不同服务供给商的公正性要求。
1 体系模型
在未来，移动运营商至少需求构建三个不同类型的网络切片，如图1所示，网络切片1、2和3别离归于eMBB、cMTC和mMTC，移动运营商为每个网络切片分配无线虚拟资源(如时隙、频谱和信号处理等)，网络切片能够依据需求动态的弹性，且互互相相阻隔。同一用户能够一起接入多个网络切片，享用所需求的不同网络服务。
在本文中，移动运营商运用半静态资源分配办法为各个网络切片分配无线资源(包含时隙和频谱等)。假定移动运营商具有的无线资源(以资源块为一个单位，一个资源块包含12个载波，共1个时隙，即0.5ms)总数为Q。首要依据网络切片类型、网络容量和负载状况等，移动运营商为各个网络切片分配固定的资源以满意其最低要求。其间网络切片1至网络切片N初始分配到的资源总数为q1，q2，…，qn，…qN;在分配给各网络切片资源之后，移动运营商所剩下的资源数为Q'，等于总资源数减去分配给各切片的资源数。然后依据份额公正调度算法计算出的优先级，按优先级从高到低的次序，顺次给各网络切片再次分配资源，直到资源剩下数为零，一起优先级高的网络切片优先选择信道好的资源。取得资源的网络切片所具有的资源数也相应添加，网络切片1至网络切片N更新后的资源总数为q1，q2，…，qn，…qN。在各网络切片内，依据份额公正调度算法计算出的优先级，按优先级从高到低的次序，顺次给网络切片内的用户分配资源，优先级高的用户优先选择信道好的资源，直到资源悉数分配结束。
(1)
Rn表明第n个网络切片各用户的和速率，kn表明第n个网络切片的在线用户数。
若该用户取得资源，则按式(4)进行更新，否则按式(5)进行更新。
2 网络切片的无线资源分配
无线资源分配技能是完成资源高效运用的要害因素，此外，还能够用此将网络切片互相阻隔(例如，一个网络切片的空口拥塞不影响其他网络切片)。咱们想象三种或许的计划来完成网络切片之间的无线资源分配，一是静态资源分配，二是半静态资源分配，三是动态资源分配。
在静态资源分配计划中，频率资源、时刻资源被固定地分配给每一个特定的网络切片，资源一旦装备，网络切片就可继续具有很长时刻，而且用户能够依据无线资源和RAT(无线接入技能)信息的预装备来接入方针网络切片。因为每个网络切片互相独立，因而，网络切片能够独立作业。
在半静态资源分配计划中，频率资源、时刻资源被半静态地分配给每一个特定的网络切片。每个网络切片所占用的带宽和/或时隙跟着基站到基站不时地改变，如图2所示。在这种状况下，能够规划更灵敏的机制以协助用户确认方针网络切片的无线资源和RAT信息。
在动态资源分配计划中，频率资源、时刻资源和空间资源在网络切片之间动态分配，例如，由网络切片的实时分组抵达条件确认带宽和/或时隙占用状况。网络切片的公共调度器完成动态的资源分配，并确保网络切片之间的公正性[7]。
虚拟化环境为无线资源调度供给了更大的规模和更高的维度。为了一致描绘5G异构网络下的各种空口资源调度战略，有必要将悉数空口资源在一个高维空间中描绘，以空间切片的方法对资源块进行一致界说。依据用户事务和信道质量的不同，能够对其进行动态或半静态的办理;对偶发数据事务需求的单个用户，进行小切片的动态调度;而对事务需求固定(如语音)且信道状况相对安稳的单个用户，进行小切片的半静态调度;关于同一事务需求的多个用户，在大切片上进行半静态的资源调度以满意其全体需求，再在小切片上运用计算复用的办法动态进行小粒度的单播调度或许多播调度，然后最大程度地运用空口资源，一起减轻调度开支。上述最终一种场景不只需求空口的操控信息，相同需求高层事务的状况信息，相当于一种多维度的联合调度。
3 仿真剖析
假定移动运营商一起构建了三个网络切片，总资源数为14。半静态资源分配计划，移动运营商为各网络切片固定分配的资源数均为4，其他的资源依照计算好的优先级分配给各网络切片，其间每个网络切片具有的在线用户数均为5。静态资源分配计划，为在各网络切片资源分配中寻求相对公正，缩小各网络切片取得固定资源的距离，因而，咱们为网络切片1、2、3别离分配的资源数为5、5、4。动态资源分配计划，选用资源分配中的最大载干比算法思维，比较各个网络切片内用户的信道质量，资源优先分配给信道好的用户，屡次迭代之后计算各个网络切片所取得的资源总数。
图3为半静态资源分配、静态资源分配和动态资源分配三种计划关于各网络切片资源调度的比较，跟着迭代次数的添加，半静态资源分配计划中的各网络切片取得的资源总数距离较小，迭代次数越多，距离越小。而静态资源分配计划中各网络切片取得的资源总数则相对悬殊，迭代次数越多，距离越显着。动态资源分配计划的仿真成果与半静态资源分配计划相似，在资源分配公正性方面均要优于静态资源分配计划，可是与半静态资源分配计划比较，经过调查屡次运转的仿真成果，动态资源分配计划在资源分配公正性方面略差于本文提出的半静态资源分配计划。如图3所示，在动态资源分配计划中，网络切片1取得的资源数最多，且要多于半静态资源分配计划中的任何一个网络切片，而网络切片2取得的资源数最少，相同也少于半静态资源分配计划中的任何一个网络切片。由此可得出，动态资源分配计划中的各网络切片取得的资源总数的距离要大于半静态资源分配计划，公正性要次之。综上所述，在资源分配公正性方面，半静态资源分配计划要优于动态资源分配计划，动态资源分配计划要优于静态资源分配计划。
4 定论
网络切片技能为处理未来或许呈现的多样化运用场景在网络容量、时延、可靠性、速率等方面要求各不相同问题供给了有力的确保。运用网络切片技能在同一物理基础设施之上为不同类型的运用场景构建相应的逻辑网络，并确保互相阻隔。考虑到移动运营商具有的总资源是有限的，为处理在各网络切片之间怎么分配无线资源，本文提出了一种依据份额公正算法的半静态资源分配计划，在各网络切片之间合理有限的分配资源，以完成相对的公正性。本文经过仿真对比了半静态资源分配计划、静态资源分配计划和动态资源分配计划，能够得出半静态资源分配计划在资源分配公正性方面要优于后两种计划，而动态资源分配计划又要优于静态资源分配计划。本文经过剖析三种资源分配计划的公正性不同，为今后无线接入网切片的无线资源分配供给参阅。
参阅文献：
[1]NGMN Alliance. NGMN 5G White Paper. Version 1.0 (2015), http://www.ngmn.org/5g-white-paper/5g-white-paper.html.
[2]NGMN Alliance. Description of Network Slicing Concept. Version 1.0 (2016), http://www.ngmn.org/publications/technical.html.
[3]3GPP Technical Report 23.799. Study on Architecture for Next Generation System. Version 0.7.0 (2016).
[4]Zhou, X., Li, R., Chen, T., Zhang, H. Network slicing as a service: enabling enterprises' own software-defined cellular networks. In: IEEE Communications Magazine, vol. 54, 146–153 (2016).
[5]Samdanis K, Costa-Perez X, Sciancalepore V. From network sharing to multi-tenancy: The 5G network slice broker[J]. IEEE Communications Magazine, 2016, 54(7):32-39.
[6]Kamel M I, Long B L, Girard A. LTE Wireless Network Virtualization: Dynamic Slicing via Flexible Scheduling[C]. IEEE, Vehicular Technology Conference. 2014:1-5.
[7]3GPP TSG RAN WG3 Meeting #91bis R3-160780. Analysis on enabling network slicing in RAN. Bangalore, India, April 11 11th – 15th, 2016.
本文来源于《电子产品世界》2017年第4期第30页，欢迎您写论文时引证，并注明出处。
